从机械到微机电:光开关技术的演进

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发行时间:2025-10-23
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从机械到微机电:光开关技术的演进

光开关两大类型

机械式光开关

机械光开关的工作原理是依靠光纤或光学元件(如反射镜、棱镜等)的移动或旋转来改变光路,实现光信号的切换。这种切换方式通常是通过外力(如电机、继电器等)驱动的。机械式光开关主要有3种类型:一是采用棱镜切换光路技术,二是采用反射镜切换技术,三是通过移动光纤切换光路。

华瑞高可提供的机械式光开关类型有1xN / 2x2 /1x1 / 1x2/ 2x2B等,如下所示,均属于机械式光开关。

微机电系统(MEMS)光开关

MEMS光开关是则不依赖于物理元件的移动,而是利用物理效应(如电光效应、磁光效应、热光效应等)来改变波导的折射率或光的偏振态,从而控制光路的通断。MEMS光开关原理十分简单,当进行光交换时,通过静电力或磁电力的驱动,移动或改变MEMS微镜的角度,把输入光切换到光开关的不同输出端以实现光路的切换及通断。MEMS 是指一种在半导体材料(如Si)上制作微机械结构的集成艺。华瑞高可提供1XN / MXN的MEMS光开关,如下所示:

2. 机械式光开关与微机电光开关的优缺点

在选择机械式光开关与微机电光开关时,需要根据具体的应用场景和需求进行权衡。如果应用场景对开关速度要求不高,且对成本和体积有一定限制,那么机械式光开关可能是一个更好的选择。而如果应用场景需要快速切换光信号,且对集成度和稳定性有较高要求,那么微机电光开关可能更合适。

3. 光开关的基本形式和连接状态

光开关(Optical Switching, OS)基本的形式是2×2,即入端和出端各有两条光纤。这种结构的光开关可以完成两种基本的连接状态:

平行连接

在这种状态下,输入端的光纤与输出端的光纤保持一一对应的连接关系,即输入端的第一条光纤与输出端的第一条光纤相连,输入端的第二条光纤与输出端的第二条光纤相连。

交叉连接

在这种状态下,输入端的光纤与输出端的光纤交叉相连,即输入端的第一条光纤与输出端的第二条光纤相连,输入端的第二条光纤与输出端的第一条光纤相连。

4. MEMS光开关较其他光开关具有明显优势

✴ 开关时间一般在ms数量级;

✴ 使用了IC制造技术,体积小、集成度高;

✴ 工作方式与光信号的格式、协议、波长、传输方向、偏振方向、调制方式均无关,可以处理任意波长的光信号;

✴ 同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点。

5. 应用场景

波分复用(WDM)系统

波分复用(WDM)是在发射端利用复用器(MUX)将不同WDM波长的光载波信号复用到一根光纤上进行传输,然后在接收端用解复用器(DEMUX)将各个WDM波长分离开来的技术,每一个WDM波长信号都相互独立,而且不受任何传输协议和速率的影响。而光开关用于光纤、光纤设备测试和网络测试,以及光纤传感多点监测系统。例如,在远端光纤测试点通过1×N光开关把多根光纤接到一个光时域反射仪上,通过光开关倒换实现对所有光纤的监测。

✅ 光开关矩阵

在光开关矩阵中,光开关也扮演着重要角色。光开关矩阵是一种用于实现光信号路由和切换的装置,它由多个光开关和光电耦合器组成。通过控制光开关的开关状态,可以实现光信号在不同通道之间的切换和路由。而光电耦合器则用于实现光信号与电信号之间的转换和隔离,确保系统的稳定性和可靠性。

✅ 光网络保护倒换系统

在光网络中,光开关可用于保护倒换系统,当主光路出现故障时,光开关可以迅速将光信号切换到备用光路,从而确保网络的稳定性和可靠性。这种应用在长途干线网和本地中继网中尤为重要,能够有效减少因故障导致的通信中断时间。